생물학적 질소제거

왜 배우는가: 생물학적 질소제거는 질소와 인 제거 공법의 기초 원리이므로, 질산화와 탈질의 조건을 이해해야 고도처리 공법과 운전 문제를 설명할 수 있다. 부영양화 방지와 방류수 수질 관리라는 실무 목표가 있어 답안 작성에서 자주 요구되는 주제이다.

출제 이력: 제138회 3교시 6번, 제135회 2교시 1번, 제134회 3교시 1번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

생물학적 질소제거는 미생물의 질산화와 탈질 반응을 이용해 하수 중 질소를 질소가스로 제거하는 공정이다.

이 정의의 핵심은 최종 단계가 질소를 기체로 대기 중에 내보내는 것이라는 점이다. 활성슬러지 반응조 안에서 호기 조건과 무산소 조건을 차례로 거치게 하여 두 반응을 한 공정으로 묶는다.

핵심 키워드는 다음과 같다.

• 생물학적 질소제거: 활성슬러지 공정에서 질산화와 탈질을 결합해 질소를 제거하는 방식이다.
• 질산화: 암모니아성 질소를 아질산성 질소를 거쳐 질산성 질소로 산화하는 반응이다.
• 탈질: 무산소 조건에서 질산성 질소를 질소가스로 환원하는 반응이다.
• 독립영양미생물: 무기탄소를 원료로 쓰고 산화 에너지로 성장하는 미생물이다.
• 종속영양미생물: 유기물을 탄소원과 에너지원으로 이용하는 미생물이다.
• 무산소 조건: 용존산소가 없고 질산성 질소가 있어 탈질이 일어나는 환경이다.
• 부영양화: 질소와 인이 과다 유입되어 조류가 증식하는 현상이다.

2. 개념 풀이

생물학적 질소제거는 하수 중 질소 화합물을 미생물의 대사 작용으로 산화·환원하여, 최종적으로 질소가스(N₂)를 대기 중으로 방출시키는 처리 방식이다. 하수 중의 질소는 대부분 유기질소와 암모니아성 질소로 존재하며, 가수분해와 암모니아화를 거쳐 암모니아성 질소가 되고 질산화를 거쳐 질산성 질소로 바뀐 뒤 탈질 과정에서 기체로 빠져나간다. 따라서 질소를 제거한다는 것은 고형물로 분리해 슬러지에 모으는 것이 아니라 기체로 방출하는 것이므로, 슬러지로 배출하는 인 제거와 구분해야 한다.

하수 중 질소 형태의 변화를 순서대로 보면 이해가 쉽다. 유기질소는 암모니아성 질소로 바뀌고, 이것이 질산화를 거쳐 질산성 질소가 된다. 질산성 질소는 탈질을 거쳐 질소가스가 된다. 이 흐름에서 질산화와 탈질은 서로 다른 산소 조건을 요구하므로, 두 반응을 같은 반응조에서 동시에 완전히 일으키기 어렵다는 점이 공정 설계의 핵심 제약이다.

질산화는 산소가 있는 호기 조건에서 일어난다. 먼저 아질산균(Nitrosomonas 계열)이 암모니아성 질소를 아질산성 질소로 산화하고, 이어서 질산균이 아질산성 질소를 질산성 질소로 산화한다. 두 미생물 군은 CO₂나 HCO₃⁻ 같은 무기탄소를 원료로 쓰는 독립영양미생물이므로, 산화 과정에서 얻는 에너지로 성장한다. 반응식은 다음과 같다.

$NH_4^+ + 1.5O_2 → NO_2^- + 2H^+ + H_2O$

$NO_2^- + 0.5O_2 → NO_3^-$

위 식에서 NH₄⁺는 암모늄 이온으로 암모니아성 질소의 형태이고, NO₂⁻와 NO₃⁻는 각각 아질산 이온과 질산 이온이다. 질산화에는 산소가 필요하며, H⁺가 생성되어 pH가 떨어지므로 알칼리도가 함께 소모된다는 점을 기억해야 한다.

탈질은 무산소 조건에서 진행된다. 이 조건에서 탈질 세균은 산소 대신 질산성 질소를 전자 수용체로 이용하고, 하수 중 유기물을 전자 공여체로 산화시킨다. 그 결과 질산성 질소는 질소가스로 환원되어 대기 중으로 방출된다. 탈질 세균은 종속영양미생물이므로 유기물이 부족하면 탈질이 충분히 일어나지 않으며, 이때는 외부 탄소원을 주입한다. 용존산소가 존재하면 세균이 산소를 우선 이용하므로 무산소 상태를 유지하는 것이 중요하다.

생물학적 질소제거 공정은 이 두 반응을 반응조의 순서로 배치한 구성이다. 호기 반응조에서 질산화를 수행해 생성된 질산성 질소를 무산소 반응조로 되돌리면 탈질이 일어난다. 이때 호기 반응조의 혼합액을 무산소 반응조로 되돌리는 흐름을 내부반송이라 한다. 질소 제거율은 이 반송 비율과 탄소원 공급량에 따라 달라진다.

3. 등장 배경과 필요성

하수 중의 질소와 인은 조류와 플랑크톤의 영양물질이다. 이 물질이 호수, 저수지, 정체성 수역에 유입되면 조류가 과다 증식하여 부영양화가 일어나고, 수체의 용존산소가 줄어 수질이 나빠진다. 따라서 수자원을 보호하려면 방류 전에 질소와 인을 제거해야 한다.